天文
科学家测量中子星，探索内部的奇异物理学
科学家通过测量快速旋转中子星的质量，揭示其内部物质的奇异状态。
中子星是宇宙中最极端的天体之一。它们由超巨星的塌缩核心形成，质量超过太阳，但却压缩成一个城市大小的球体。
这些异星的致密核心包含无法在地球上复制和研究的独特状态的物质。因此，NASA正致力于研究中子星，探索其内部物质的物理规律。
我和同事们一直在帮助他们。我们使用快速旋转中子星发出的无线电信号来测量其质量。这使得使用NASA数据的科学家能够测量这颗星的半径，从而为我们提供了迄今为止关于其内部奇异物质的最精确信息。
中子星内部是什么？
中子星核心的物质密度甚至超过原子核。作为宇宙中最稳定的物质形式，它被压缩到极限，几乎要塌陷成黑洞。
了解物质在这些条件下的行为是我们基本物理理论的关键考验。
NASA的中子星内部成分探测器(NICER)任务正在试图解开这种极端物质的奥秘。
NICER是国际空间站上的一台X射线望远镜。它探测来自中子星表面热点的X射线，这些热点的温度可达数百万度。
科学家们通过模拟这些X射线的时机和能量来绘制热点图，并确定中子星的质量和大小。
了解中子星大小与其质量的关系将揭示其核心物质的“状态方程”。这告诉科学家中子星的软硬程度，即其“可压缩性”，从而揭示其组成成分。
较软的状态方程表明核心中的中子正在分解成更小的粒子，而较硬的状态方程则意味着中子抵抗分解，导致较大的中子星。
状态方程还决定了中子星在碰撞时如何以及何时被撕裂。
通过中子星邻居解决谜团
NICER的主要目标之一是名为PSR J0437-4715的中子星，它是最近且最亮的毫秒脉冲星。
脉冲星是一种中子星，它发射的无线电波束每次旋转时我们都能观察到一次脉冲。
这个特定的脉冲星每秒旋转173次(与搅拌机一样快)。我们已经用位于新南威尔士州的CSIRO帕克斯射电望远镜Murriyang观测它近30年了。
NICER数据团队面临的挑战是，这个脉冲星附近的一个星系发出的X射线使得准确模拟中子星表面的热点变得困难。
幸运的是，我们可以使用无线电波找到脉冲星质量的独立测量值。没有这些关键信息，团队就无法得到正确的质量。
测量中子星质量全靠时间
为了测量中子星的质量，我们依赖于爱因斯坦广义相对论描述的一种效应，称为Shapiro延迟。
像脉冲星这样巨大而致密的天体——在这种情况下还有其伴星白矮星——会扭曲时空。脉冲星和伴星每5.74天互相绕行一周。
当脉冲星发出的脉冲穿过白矮星周围的压缩时空到达我们这里时，会延迟微秒。
利用Murriyang，这些微秒级的延迟很容易从像PSR J0437-4715这样的脉冲星中测量出来。帕克斯脉冲星计时阵列项目定期观测这个脉冲星及其他毫秒脉冲星，以探测引力波。
由于PSR J0437-4715离我们较近，当地球绕太阳运行时，其轨道在我们看来会稍微摇摆。这种摇摆为我们提供了轨道几何形状的更多细节。我们将这些信息与Shapiro延迟结合起来，找出白矮星伴星和脉冲星的质量。
PSR J0437-4715的质量和大小
我们计算出这个脉冲星的质量为1.42个太阳质量，这与典型的中子星质量一致。这很重要，因为这个脉冲星的大小也应该是典型中子星的大小。
利用NICER数据的科学家们能够确定X射线热点的几何形状，并计算出中子星的半径为11.4公里。这些结果为中子星中密度状态方程提供了迄今为止最精确的锚点。
我们新的研究已经排除了最软和最硬的中子星状态方程。科学家们将继续解读这些发现对中子星内核中奇异物质存在的意义。
理论表明，这些物质可能包括逃离正常位置的夸克，或者称为超子(hyperons)的稀有粒子。
这些新数据为中子星内部的一个新模型增添了信息，这个模型也受到来自中子星碰撞和随之而来的千新星(kilonova)爆炸观测的启发。
Murriyang在协助NASA任务方面有着悠久的历史，曾作为阿波罗11号登月行走大部分影像的主要接收器而闻名。
现在，我们利用这个标志性的望远镜来“权衡”中子星内部物理学，推动我们对宇宙基本理解的进步。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。